EFP06    

   

Ethanol as a Fuel for Road Transportation Main Report 

       

Ulrik Larsen Troels Johansen Jesper Schramm 

        

 

May 2009 

http://www.dtu.dk/english.aspx�http://www.dtu.dk/english.aspx�

Preface 

 This report is financed by the Danish Energy Authority (EFP 2006 – Ethanol som motorbrændstof) and made in cooperation with  the  International Energy Agency  ‐ Advanced Motor Fuels Agreement. The report  is a contribution to Annex XXXV: “Ethanol as a Motor Fuel – Subtask 1: Ethanol as a Fuel in Road Vehicles”. The work has been carried out by The Technical University of Denmark, Department of Mechanical Engineering.     

  2

Contents  

PREFACE ............................................................................................................................................................................. 2 SUMMARY .......................................................................................................................................................................... 4

8

10

11

12

1212141518181921222325

30

33

3739

42

42

4348545959

65677475

78

79

80

ABBREVIATIONS ................................................................................................................................................................. INTRODUCTION ................................................................................................................................................................

SECURITY OF FUEL SUPPLY........................................................................................................................................... GLOBAL WARMING....................................................................................................................................................... 11

BIOETHANOL AS ENERGY CARRIER – GENERAL ISSUES................................................................................................... DISTRIBUTION............................................................................................................................................................... PRODUCTION.................................................................................................................................................................

Feedstock ................................................................................................................................................................. Production Methods.................................................................................................................................................

LIFE CYCLE ASSESSMENT ............................................................................................................................................. Net Energy Value and Greenhouse Gasses.............................................................................................................. LCA Reviews ............................................................................................................................................................ Discussion on LCA Studies and Results................................................................................................................... Hydrous Ethanol ......................................................................................................................................................

SUSTAINABILITY ........................................................................................................................................................... Land Use Issues .......................................................................................................................................................

FUEL PROPERTIES ............................................................................................................................................................. BASIC CHEMISTRY ........................................................................................................................................................ 30 ETHANOL FUEL TYPES .................................................................................................................................................. 32 WATER AND BLENDING ISSUES.....................................................................................................................................

Ethanol/Gasoline/Water Miscibility ........................................................................................................................ 33 Ethanol and Diesel Miscibility.................................................................................................................................

TOXICITY AND SAFETY ................................................................................................................................................. ETHANOL USAGE IN TRANSPORTATION..........................................................................................................................

APPLICATION IN SI ENGINES ......................................................................................................................................... Fuel Compatibility ................................................................................................................................................... 42 Materials and Corrosion.......................................................................................................................................... Technical Potential of Ethanol in SI Engines .......................................................................................................... Cold Start Issues ......................................................................................................................................................

EMISSIONS .................................................................................................................................................................... Tailpipe Emissions ...................................................................................................................................................

ETHANOL USAGE IN TWO-WHEELERS ........................................................................................................................... 65 ETHANOL APPLICATION IN CI ENGINES ........................................................................................................................ 65

Fuel compatibility .................................................................................................................................................... Application Techniques............................................................................................................................................ Fleet Trials............................................................................................................................................................... Discussion................................................................................................................................................................

CONCLUSIONS .................................................................................................................................................................. TECHNICAL ASPECTS .................................................................................................................................................... 78 OTHER ASPECTS............................................................................................................................................................

REFERENCES ...............................................................................................................................................................  

  3

Summary  Bioethanol as a motor fuel in the transportation sector, mainly for road transportation, has been subject to many  studies  and much discussion.  Furthermore  the  topic  involves not only  the  application  and  engine technical aspects, but also  the understanding of  the entire  life cycle of  the  fuel, well‐to‐wheel,  including economical, environmental and social aspects. It is however not the aim of this report to assess every single one of these aspects. The present report aims at addressing the technical potentials and problems, but also the central issues related to the general application of bioethanol as an energy carrier in the near future.        A suitable place to start studying a fuel is at the production stage, and bioethanol has been found to have a potential to mitigate greenhouse gasses, a potential which is a result of the production method. This, along with  a  potential  for  substituting  fossil  oil  (and  being  renewable),  are  the main  reasons why  ethanol  is considered and implemented. Therefore focus must be at these potentials and the central questions to ask are how much CO2 can be mitigated and how much fossil fuel replaced? A number of life cycle assessments have been made  in order to provide estimates. These assessments have generally shown that bioethanol has a very good potential and can mitigate CO2 emissions very effectively, but... It has also been shown that both fossil fuel replacement and CO2 mitigation potentials are totally dependent on the production method of  the  fuel.  Bioethanol  can  be made  from  a wide  range  of  biomass  resources,  not  all  equally  effective regarding the before mentioned potentials. The Brazilian ethanol experience has in many ways shown the way for the rest of the world, not least in the production stage. Brazil was the first and biggest producer of bioethanol but the USA, China, India and EU has since then increased their production remarkably.   Overall, bioethanol  is  the  largest alternative  transportation  fuel and  is projected  to  increase  significantly and remain so. As transportation fuel  is a very big sector globally, a shift towards more bioethanol usage will potentially have great consequences in many areas of life. Therefore the need for more comprehensive evaluation methods and regulations has been emphasized. Among those are the principles of sustainable development, particularly  the need  for  the definition of  indicators,  regulations and  criteria,  for example resembling, those implemented in the forestry sector.   The most apparent problems  related  to producing  the biomass and  then processing  it  to bioethanol, are mainly pollution of and usage of water, use of fossil fuels in the production, soil degradation and land use conflicts. At layman’s level the perhaps most intensely discussed has, at the time of writing, been the ‘food versus fuel’ problem. Clearly it should not be of interest, to deprive people from food in order to produce transportation fuels. As has been stated by United Nations Food and Agriculture Organization the problem, at the present time, seems not to be a  lack of food production capability, but rather economical politics, namely  trade barriers. Besides  that  it has been discussed whether any  real potential  for greenhouse gas mitigation  potential  exists  in  the  current  form  of  production,  especially  outside  Brazil,  since  another greenhouse gas , nitrous oxide (N2O), seems to be emitted when growing the feedstock crops. This gas is a very powerful greenhouse gas, about 300 times stronger than CO2. There has been investigations showing a negative potential, i.e. bioethanol would be a greater contributor to global warming than regular fossil fuels (gasoline). Another very important issue is the conservation of the natural carbon reservoirs. When land is converted into farm land there is a possibility of releasing more carbon dioxide into the atmosphere, than the biofuel would be able to mitigate, even seen over a long time horizon.   At the time of writing much effort is being put in to solving the problems of the so called second generation ethanol  technology,  the way of producing bioethanol  from  cellulosic biomass.  There  is wide  agreement about the advantages of this technology. One of them is the use of much cheaper feedstock, since several highly efficient (energy) crops can be used as well as biomass ‘waste’, such as straw and corn cobs. Another 

  4

advantage is a very high efficiency, i.e. high yield per area of land used. Lately there has even been talked about using algae as feedstock, thereby avoiding land use conflicts. There are still issues to be solved before this technology can be used on a wider scale though, mostly the improvement of the cost efficiency as well as the process efficiency.   Ethanol has been shown to suit different kinds of integrated production scenarios. In Brazil the processes of producing  ethanol  and  power  has  now  been  integrated  at many  locations with  success.  Previously  the excess biomass, i.e. bagasse was burned under open air as oppose to being converted to power. This has a significant effect on the overall efficiency of the fuel. In the US, the massive corn based ethanol production creates  opportunities  for  production  of  animal  feed.  In  Denmark  integrated  production  of  second generation bioethanol, biogas, hydrogen and solid fuel pellets has been demonstrated to be exceptionally efficient at utilizing the biomass  ‘waste’ product straw, as well as reusing process water. The  idea behind this method  is  to  imitate  nature  by  reusing  the waste  products  from  one  process,  as  feed  for  another process. Yet another  facility has demonstrated  the  integrated production of power, district heating,  first generation  and  second  generation  bioethanol.  The  solid  carbon,  which  remains  from  the  ethanol production, is burned in the very efficient power plant which then supplies the ethanol process with cheap low grade steam.    The fuel properties of ethanol differ from gasoline. Depending on the application, i.e. what kind of blend is used or if it is used neat, the vehicle needs special specifications for some parts to function properly. Firstly, ethanol  is hygroscopic and  it takes an effort to avoid water contamination and the problems that follow. Moreover,  the production methods  favor a content of water, as water can only be removed  to a certain degree by normal distillation (up to about 95% purity), where after another relatively energy costly process removes  the  remaining water.  This makes  an  argument  for  using  the  fuel  containing  some  amount  of water. Unfortunately ethanol has poor blending properties when mixing with either diesel or gasoline,  if the ethanol contain more  than a very  small amount of water. Phase  separation occurs and can  in worst case make the fuel inapplicable, or in other cases causing all kinds of fuel system and engine problems. This all depend on  ambient  temperatures  and  the blending  ratios of ethanol,  gasoline  and water,  and  these aspects are  therefore deciding  the choice of technology  for a particular region or country. Worst are the blending problems when using  low percentage ethanol blends  containing water especially when used  in cold climates. Mid and high percentage blends can contain much more water posing much  less problems and in Brazil, ethanol containing 7% water is used widely. The strategy behind this Brazilian watery ethanol fuel  is  to minimize  production  costs,  since  less  effort/energy  is  needed  for  removing  water  from  the ethanol.   Another issue related to the cold climate markets, is cold starting, or more precisely engine start problems and excessive startup emissions. These problems are related to the use of high percentage ethanol blends such  as  E85  and  are  even  more  pronounced  using  neat  ethanol.  Ethanol  does  not  contain  the  light hydrocarbon compounds, which makes gasoline a relatively good fuel at cold ambient temperatures. The evaporative  and  flammability  properties  also  contribute  to  this  problem.  There  are  solutions  to  these problems  though. The evaporative properties are also problematic  regarding  safety and pollution of  the environment. Ethanol is more flammable at conditions normally occurring in the fuel system of vehicles and can therefore pose a danger, but measures can prevent these dangers. The evaporative properties and the chemical properties can in many cases cause worse evaporative emissions from the fuel system compared to gasoline application and  likely much worse for diesel vehicles. It  is  important to state though, that this problem is worse for low percentage ethanol blends and it seems that high percentage ethanol blends and neat ethanol, offer improvement compared to gasoline (but likely not diesel).    

  5

Looking at the engine technical possibilities, it is so that almost all ethanol is used in gasoline vehicles. This is due to the fact that gasoline blends well with ethanol as opposed to diesel. In Brazil ethanol application is mandatory  in gasoline vehicles, with  the use of E25 and E100.  In Sweden E85  is  fairly widespread and  in several other countries the use of E5 and E10  is mandatory. The further  increase of ethanol application  is somewhat  limited by  the unfortunate properties of ethanol when used  in  regular gasoline vehicles. The general  limit for these vehicles  is set at about 5‐10% ethanol  in gasoline.  In the US and Sweden Flex Fuel Vehicles (FFVs) are currently on road being compatible with blends ranging from 0 to 85% ethanol content. These  vehicles  have  demonstrated  the  technical  feasibility  of  running  on  ethanol  fuels  with  a  high renewable  content, while not having  a higher  cost. There  are  surely  fuel  compatibility  issues, especially related to the older part of the vehicle fleet. Corrosion and different kinds of damages can occur in the fuels system, ultimately resulting in engine failure. It is therefore not recommended to fuel vehicles made before 1986 with ethanol fuels.   Many experimental studies have confirmed that ethanol in gasoline engines increases the engine (energy) efficiency,  torque  and power  compared  to baseline  gasoline  tests.  This  is mostly due  to  a  superior  fuel octane rating. On the other hand ethanol contains much less energy per liter of fuel, very often resulting in lower mileage. However,  the engine efficiency has  in some cases been  improved  to a degree, where  the mileage was improved compared to running on gasoline. There is little doubt that ethanol can improve the overall energy efficiency of the vehicle  fleet, especially when using high percentage ethanol fuels or neat ethanol.   Looking at the current trends for engine development, ethanol looks like a good candidate, complimenting these trends well, both for gasoline and diesel engines. Technologies such as downsizing, direct  injection, increased pressure charging and also advanced  ignition strategies  (HCCI and CAI) are all compatible with ethanol.    Tailpipe  emissions  from  vehicles  running  on  ethanol  fuels  are  generally  cleaner  compared  to  gasoline. However,  focus  is  also  on  evaporative  emissions which  generally  seems worse  using  ethanol  fuels,  as mentioned  namely  for  low  percentage  blends.  Investigations  and  models  have  shown  that  ethanol application  does  improve  the  overall  health  impact  regarding  so  called  air  toxics,  i.e.  carcinogenic compounds such as benzene and butadiene.    Looking at diesel vehicles, ethanol can be applied with some  limitations. Generally ethanol does not mix well with diesel oil, but with the use of additives, ethanol can be used more or less immediately. With the use of biodiesel (FAME), ethanol has been shown to blend quite well with diesel, and thus representing a fuel with a potential  for a high degree of  renewability, easily up  to 30%. Neat ethanol has been used  in diesel  engines,  improving  the  tailpipe  emissions  significantly.  Even  relatively  small  amounts  of  ethanol seem  to  improve  the  emissions  of  particulate matter  a  lot.  The  questions  remain  though,  how  ethanol impacts the size of the particulates and emission reduction systems. Many types of application techniques have been  tried with  relatively high degree of success, making  it very possible  to apply ethanol  in diesel vehicles. Again ethanol seems to suit the engine development trends. Ethanol promotes a higher tolerance for EGR ratios which reduces NOx emissions, the lower emissions of particulate matter makes it possible to reduce NOx further, and ethanol can also be used in future HCCI engines.   When discussing the advantages and drawbacks of ethanol, it is important to notice the type of application. Generalization  is  not  possible,  since  ethanol  can  be  used  in many  forms.  Furthermore  a  large  range  of ethanol/  gasoline  blends  have  not  been  investigated  sufficiently  yet. What  type  of  application  is more favorable  seems  very much decided by  infrastructural  factors,  especially  the  vehicle  fleet  configuration. 

  6

From a technical point of view, the optimal usage  involves a high degree of water content  in the ethanol and  this  excludes  low  percentage  ethanol  fuels.  The  benefits  seem  strongly  related  to  the  amount  of ethanol in a given blend, i.e. the more the better. Both the engine efficiencies and emissions improve with more  ethanol  in  the  fuel.  Wet  ethanol  constitutes  an  even  cleaner  fuel  both  in  the  production  and application  phases.  Summing  up,  ethanol  application  has  many  possibilities  but  with  each  type  of application comes a set of challenges. There are technical solutions available for each challenge though. 

  7

Abbreviations  

Abbreviations Meaning

AEBIOM  The European Biomass Association  AFR  Air/ Fuel Ratio  ANFAVEA  the Brazilian Automotive Industry Association’s Energy & Environment Commission ASTM  American Society for Testing and Materials BE‐diesel   Biodiesel/ Ethanol/ Diesel Blend Btu  British Thermal Unit CAI  Controlled Auto‐Ignition CCS  Combined Combustion System CCS  Carbon Capture and Storage  CERC  Combustion Engine Research Center, Chalmers University CH4  Methane CHP  Combined Heat and Power CI  Compression Ignition CO  Carbon Monoxide CO2  Carbon Dioxide CO2eq  Carbon Dioxide Equivalent CONCAWE  European Oil Company Organisation for Environment, Health and Safety DDGS  Dried Distillers Grains with Solubles DI  Direct Fuel Injection E4D  Ethanol for Diesel EBS  Ethanol Boosting System ECU  Engine Control Unit EDI  Ethanol Direct Injection  E‐diesel  Specific Ethanol Diesel Blend EERE (US)  Office of Energy Efficiency and Renewable Energy  EGR  Exhaust Gas Recirculation  EJ  Exa Joule (10^18) EMPA  Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research ETBE  Ethyl Tertiary Butyl Ether EU  European Union EUCAR  The European Council for Automotive R & D FAME  Fatty Acid Methyl Esters FFV  Flex Fuel Vehicles GDI  Gasoline Direct Injection  GHG  greenhouse gasses 

GREET The Greenhouse gases, Regulated Emissions and Energy use in Transportation model  

HC   Hydro carbon HCCI  Homogenous Charge Compression Ignition IBUS  Integrated Biomass Utilization System 

  8

IEA  the International Energy Agency  IFP  French Petroleum Institute IMF  International Monetary Fund IPCC  Intergovernmental Panel on Climate Change JRC  Joint Research Center KL  Knock‐limited Ignition Timing  kWh  Kilo Watt Hour LCA  Life Cycle Assessment LEV  Low Emission Vehicle LFL  Lower Flammability Limit  MBT  Maximum Brake Torque Ignition Timing  MTBE  Methyl Tertiary Butyl Ether N2O  nitrous oxide  NEV  Net Energy Value  NOx  Nitrogen Oxides NREL  (US) National Renewable Energy Laboratory O2‐diesel  Brand of Ethanol Diesel Blend OBDS  On‐Board Distillation System  OECD  Organisation for Economic Co‐operation and Development PAH  Poly Aromatic Hydro Carbons PCCI  Partial Premixed Controlled Combustion  PFI  Port Fuel Injection pHCCI  Partial Homogenous Charge Compression Ignition PM  Particulate Matter PZEV  Partial Zero‐Emissions Vehicle RFG  Reformulated Gasoline RON  Research Octane Number RVP  Reid Vapor Pressure SADE  Spark Assisted Diesel Engine SI  Spark Ignited SUV  Sport Utility Vehicle UFL  Upper Flammability Limit  UN  United Nations UN FAO  United Nations’ Food and Agriculture Organization US  The United States (of America) US DOE  United States Department Of Energy  US EPA  US Environmental Protection Agency USDA‐ARS   US Department of Agriculture, Agricultural Research Service VOC  Volatile Organic Fractions  VVT  Variable Valve Timing  WTW  Well‐to‐Wheels (assessment)   

  9

Introduction  The past few years have seen a veritable explosion  in the advocacy and use of bioethanol as a fuel  in the industrialized world. In a remarkable way this cause, as it has almost become, seems to transcend normal political  divisions,  appealing  both  to  environmental  concerns  over  global  warming  and  promising  oil‐importing countries a greater independence from oil‐exporting ones.   Seeing that the ‘hydrogen society’ has yet to materialize, bioethanol seems, until then, to be a possible way of  dealing with  the  rise  in  both  oil  prices  and  CO2‐emissions.  The  subject  of  bioethanol,  has  been  the subject of much discussion,  research  and development  the  recent  years  and  the  literature  is  abundant. There are  several other  reports and  reviews of ethanol  studies  seen  from various perspectives, and  the view of these are incorporated where it is found appropriate. This report is based on scientific articles and literature on the subject, using sources such as the UN, the United States Department Of Energy (US DOE) and  the  International  Energy  Agency  (IEA),  as  well  as  technical  papers  published  by  the  Society  of Automotive Engineers. This leaves the risk of obtaining a ‘main stream’ perspective but to counter that, the views  of many  debate  forums  and  conference  presentations,  have  been  considered  as well.  Generally discussions on the topic of ethanol seems subject to a lot of ‘half truths’ and it is the hope of the authors of this  report,  to provide  a  report based on  technically  sound  argumentation  and differentiation on which proper decisions can be made.         Ethanol from biomass can provide substantial benefits to local, regional and global societies, provided the methods  of which  ethanol  is  produced  and  used,  are  considered  carefully.  The  IEA  report  Biofuels  for Transport (2004) has summarized the potential benefits and costs of biofuels, ethanol included, in table 1.  Table 1: Potential benefits and costs of biofuels. Source: (1).  

  

 Most of the items in table 1 and others are discussed in more detail in the following. 

  10

 

Security of Fuel Supply  The fossil oil reserves are predicted to be  limited and will be fading at some point  in time,  if not already. Recently  we  have  experienced  dramatic  fluctuations  in  the  oil  price,  indicating  a  steadily  increasing demand. The time horizon for oil depletion is very difficult to predict, but it is quite certain that the supply/ demand situation will worsen as time passes. It is likely that the oil price will rise significantly in the coming decades, possibly with very dramatic social impacts on all levels of society. This means that we will reach a point where it makes much less economical sense to fuel our cars with fuels produced from fossil oil, since it will be cheaper to produce fuel otherwise,  either from coal, gas, biomass or other sources such as wind or water energy, or even nuclear power. Ethanol offers an immediate possibility to reduce the dependency on  fossil oil and this  is perhaps the most  important reason  for using ethanol  in the transportation sector today.  If ethanol  is chosen as part of the solution to the problem of fading oil reserves,  it  is  important to ensure a sustainable ethanol production that can satisfy the need continuously.  

Global Warming  CO2  is  a  so  called  greenhouse  gas  (GHG), which means  that  the  gas  limits  the  earth’s  ability  to  radiate thermal energy from the sun back to the universe. It is more or less agreed, that we, as humans, now need to  be  very  cautious  of  the  changes we make  regarding  the  ecosystem  and  atmospheric  system  in  this regard. The IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) has stated in the Climate Change Synthesis Report  2007  (2),  that  significant  regional  and  global  temperature  increases  have  been  observed. Furthermore  the  panel  has  found  that  it  is  ‘very  likely’  that  these  increases  are  caused  by  increased anthropogenic  greenhouse  gas  (GHG)  emissions.  It  is  therefore  important  to  find ways  to minimize  the introduction of more GHG  in  to  the atmosphere, a  large part being caused by combustion of  fossil  fuels. The transportation sector  is a large GHG contributor with about 13% (2004 numbers) of all anthropogenic GHG emissions (2). The sector is highly dependent on fossil fuels and not many realistic alternatives exist at the moment,  as  compared  to  the  rest of  the energy  sector having numerous  alternatives  for producing electricity, e.g. wind and water energy, nuclear power, solar energy and more.   When considering the GHG  issue related to ethanol  it  is  important not to focus entirely on one aspect, as for example the application. It is more appropriate to view the situation as a whole and include all aspects of the fuel life cycle. Recently, some researchers have claimed that little to no GHG benefit is present using bioethanol  for  transportation  in  its  current  form,  when  looking  at  the  production  of  the  fuel  (3).  It  is recommendable  to  include  considerations  about  the perspectives of using biomass not  for  ethanol  and transportation, but for other possible CO2 mitigating applications as well, since biomass is a limited (yearly) resource.  In Denmark  for example  the efficiency of burning waste and biomass  is very high.  It has been made  apparent  that  the biomass  is utilized  significantly more  efficiently  this way,  compared  to  ethanol usage as a biofuel (4), but as earlier mentioned the alternatives for the transportation sector are realistically relatively few.   

  11

Bioethanol as Energy Carrier – General Issues  This section is made to draw attention on some of the most important of many issues related to large scale ethanol  production.  It  is  not  in  the  scope  of  this  report  to  go  into  depth with  ethanol  production,  but looking through the literature, it seems important to address the issues discussed here.   

Distribution  There are several issues concerning distribution of ethanol, especially for gasoline/ ethanol blends. Looking through the literature it seems mainly to be problems with using the existing gasoline pipelines due to the corrosive and watery nature of ethanol. Furthermore  there are  issues regarding  the  fuel stations, mostly concerning safety and storing  issues. That being mentioned,  it has been proven through years of practical experience,  that  ethanol  can  be  distributed without major  problems,  using  another  set  of  procedures compared  to gasoline. Ethanol  is usually distributed  in a  system  specifically designed  for ethanol  so  that blending  issues, e.g. water and dirt problems are avoided, at  least until the fuels are mixed at the service stations.   

Production  Ethanol is the largest biofuel in the world and is expected to remain so. Figure 1 shows how ethanol still only covers a relatively small fraction of the total fuel demand globally. It can be observed that the main suppliers of ethanol are the USA and Brazil.     

  Figure 1: World supply and demand met figures. Source: (5). Energy Information Administration, 2003 and Renewable 

Fuels Association, 2005   

  12

The  production  of  ethanol  is  increasing  dramatically  these  years  and  it  therefore  seems  important  to discuss how ethanol is used most rationally. Figure 2 shows how ethanol production, which is mainly used for fuel purposes, has risen since year 2000.   

  

Figure 1: World ethanol production, Source: (6).   If  the world  is going  to experience a continued massive  increase  in ethanol production and usage,  it will have  tremendous  effects  on  the  people,  economy  and  ecosystems  of  the  planet.  The  IEA  projects  an average annual growth  rate of 6.3%  for consumption of  liquid biofuels  from 2005  to 2030, most of  that being ethanol  (15). Secondly there will be an increasing dependency on the fuel which will demand reliable production.  It  is  therefore  of  utmost  importance  that  crop  growing  of  the  feedstock  used  for  ethanol production is done in a sustainable way. Sustainability, according to what was found at the Rio Conference 1992,  includes economical, social and ecological concerns and  it seems very necessary to  include all three when deciding whether  to use  ethanol  as  a motor  fuel  extensively. According  to  the Brundtland  report definition of sustainability (1987), sustainable ethanol must provide a solution that  ’satisfies the needs of today without compromising the needs of future generations’ (8).   Economics  strongly  influence  which  technical  solutions  a  community  or  region  will  choose  and  thus influence the environment in different ways. At present it makes more economical sense to keep producing ethanol using first generation technology, even though the actual greenhouse gas mitigation and emission benefits in some cases seem rather limited (9). Socially there are heated discussions, at many levels around the world, about  the  ‘food or  fuel’  issue, but other  issues such as  regional agricultural development and international trade relations are also important. Looking at ecosystems, discussions concern topics such as the need to preserve valuable ecosystems, as for example the Amazon rainforests of Brazil, and ensuring good local soil and water quality.   

  13

Feedstock  Bioethanol is usually made by fermentation of sugar contained in various kinds of biomass:  

• Sugar rich biomass ‐ Mainly sugar beet and sugar cane. • Starch rich biomass ‐ Grain (e.g. barley, wheat, corn, rice), potatoes, sorghum, cassava. • Cellulose rich biomass ‐ Straw, wood (‐residues), corn cobs and stalks, grass, paper and more. 

  About half  the world’s bioethanol production uses sugar crops as  feedstock, mostly sugar canes but also beets. The majority of the remaining ethanol is produced from starch crops mainly grains such as corn and wheat  (15). Practically no  ethanol  is produced  from  cellulose  rich biomass  commercially, but  commercial plants are planned (10).  Not surprisingly the most efficient way to produce ethanol today (in terms of cost and CO2 mitigation), is via the Brazilian sugar cane production. The feedstock, which is the major contributor to the cost, grows very fast  there  and  the  production methods  have  been  refined  through  some  years  now.  Furthermore  it  is relatively easy to make ethanol from sugar crops, since the fermentable sugars are more readily accessible compared to other feedstocks (15).  Cellulosic ethanol production is now at a stage where trials of different feedstock are being conducted. The aim is to find crops which increase the biomass output as well as reduce negative environmental impacts. It has also been of  interest to  investigate the types of  land (quality) the feedstock can grow on, this due to land use  issues. Agricultural  fertilizers are causing  significant  impact on  the environment  such as marine eutrophication, global warming, resource depletion, groundwater contamination, and stratospheric ozone destruction (11). Thus since the motivation for use of ethanol is partly to reduce global warming, it should be of general interest to reduce the use of synthetic fertilizers in the production of feedstock for ethanol.   Some crops can naturally fixate nitrogen from the air, as for example peas, and thus reduce the need for fertilizers. Growing  these  crops  alongside other  crops  is  called  intercropping  and  this method has been found to reduce the need for both fertilizers and pesticides in the case of a wheat and peas combination (7). Other crops do not need as much  fertilizer and will still provide very good yields. Switchgrass  (or prairie grass) is one of the more promising examples of crops for second generation ethanol production, because of  its high yield,  low fertilizer requirements and other desirable qualities such as soil restoring properties, good disease and pest resistance and  low cost of production  (12,  13). A  joint USDA‐ARS  (US Department of Agriculture, Agricultural Research Service) and Institute of Agriculture and Natural Resources (US) study (12) has found, that cellulosic ethanol production from switchgrass could reduce the greenhouse gas emissions up  to  94%  compared  to  gasoline.  The  switchgrass  is  intended  for  growing  on marginal  lands  and  the researchers estimated an ethanol yield of 85% of what is currently achieved on class 1 farm land with corn ethanol in the USA. The study was based on a 20 acre trial. Switchgrass is not a solution for first generation ethanol production, however since it is almost purely cellulosic.  It  seems  that  the development of  feedstock  for ethanol, at  the  time of writing,  is at a  stage where new methods are on the way, while the old practices will still exist alongside. In order for the new methods to gain  foothold,  it  seems  that  a  prerequisite  is maturation  of  the  second  generation  ethanol  production processes,  and  in  particular  the  methods  for  cost‐effective  break‐down  of  the  strong  ligno‐cellulosic molecules of biomass.   

  14

Production Methods  As will be discussed later, the production method is the key factor deciding the degree of sustainability of ethanol. There are great differences in the life cycle effects of ethanol produced by different feedstocks and by different methods.    

First Generation Technology  The traditional way of producing ethanol follows these general steps:   

1. Milling of biomass to break it down to finer parts, a substance called the ‘meal’. This stage can be done either wet or dry, where dry processing in some cases can save up to nearly 50% of the total energy used to produce the ethanol (15). 

2. Cooking and  liquefaction where  the  ‘meal’  is mixed with water and enzymes and  cooked  into a ‘mash’. 

3. Saccharification ‐ a secondary enzyme is used to produce sugars that can be fermented. 4. Fermentation of sugars with aid of yeast to form CO2 and watery ethanol (about 10% pure). 5. Distillation of the wet ethanol in order to concentrate the ethanol up to 95%.  6. Dehydration to the remaining 5% water is removed to make fuel grade ethanol. 7. Denaturing usually with gasoline to make the ethanol undrinkable. 

 The main inputs are: Feedstock, enzymes, yeast, energy, water and denaturant. Main outputs are ethanol, CO2 and co‐products which are mainly used as animal feed called distillers’ grain (DDGS). The produced CO2 is often captured and purified to be sold to other industries (14).   In some cases  in Brazil and other places, the energy  input  in the ethanol production comes from the crop used as feedstock. To provide heat for the boiling and distillation processes, the leftover biomass (bagasse) from  the  sugar  canes  is  combusted.  In many other  cases  the energy  comes  from  fossil  sources  typically natural gas or coal.  It thus has a big impact on the effective CO2 mitigation benefit of the fuel whether the first or section option is used.   Low  temperatures  generally  characterize  the majority  of  the  energy  used  in  ethanol  production.  The cooking  process  normally  happens  at  about  80ºC  and  distillation  at  about  100  ºC  (14).  From  an  energy‐economical view point, it therefore seems appropriate, to use waste heat from other processes such as for example  electricity  generation  instead  of high worthy/ quality  energy  such  as natural  gas,  coal or  even biomass.   

Second Generation Technology  Second  generation  ethanol,  also  called  cellulosic  ethanol,  is  produced  in  almost  the  same way  as  first generation  ethanol.  The  pre‐treatment  needed  to  access  the  fermentable  sugars  in  the  ligno‐cellulosic plant  materials  however,  is  much  more  difficult  and  may,  depending  on  the  feedstock,  require  acid, pressurized steam, special enzymes or a combination of those. These methods can result in production of undesirable  toxins  which  inhibit  the  following  fermentation  process.  Once  decomposed,  the  biomass requires  a  fermentation  process  where  both  hemicellulose  (C5)  and  cellulose  (C6)  sugars  must  be processed.   

  15

 A  state‐of‐the‐art  report  (15)  has  identified  important  research  tasks  for  second  generation  ethanol production:   

• Pre‐treatment  and  decomposition  processes  which  creates  a  minimum  of  toxic  fermentation ‘inhibitors’ and uses less chemicals. 

• Reduction of enzyme costs. The price of enzymes has gone down significantly recently but this  is still a problematic issue for full scale commercialization. 

• Techniques for processing at high solid levels (i.e. minimizing water and thus energy use). • Development of microorganisms that can tolerate ‘inhibitors’ and ethanol, and can process both C5 

and C6 sugars. • Higher degree of process integration to reduce water consumption. • Recovery of lignin waste products for use in for example power production. 

  At  the  time  of writing  practically  all  ethanol  is  produced  by  the  so‐called  first  generation  technology. Second  generation  technology  is  currently  at  a  stage where  a  lot  of  research  is  being  done.  Pilot  and demonstration plants are running but commercial plants are still not in operation, though several are in the planning phase. Commercialization status of cellulosic ethanol (by 2007), excerpt from Ref. (10):  

• 15‐20 pilot plants worldwide, mostly small batch operations • 2 demonstration plants opened (Ottawa & Japan) with 2‐3 others to open later in 2007 • 15‐20 commercial plants being built worldwide • Large range of feedstocks being investigated  

  The big advantage of cellulosic ethanol is the low cost of feedstock, which as mentioned can be agricultural or forestry residues or more dedicated energy crops such as willow and switchgrass. Another advantage is that  second  generation  production  doesn’t  conflict,  in  the  same way  as  first  generation  ethanol, with production  of  human  food. Unfortunately  the  economics  of  cellulosic  ethanol  are  presently  at  a  stage where the low cost of feedstock does not outweigh the high cost of production.    The advantages of second generation technology compared to first generation are mainly:  

• Much higher utilization of the individual plant, providing higher production efficiency and yield per hectare. 

• No  or  less  conflicts  between  food  and  fuel  interests  because  other  types  of  crops  or  even agricultural waste can be used. There can be a conflict due to the use of arable land. 

• Cheaper feedstock. • Possibly more sustainable feedstock production. • Very high CO2 mitigation, up to 94%.  

  Widespread usage of second generation technology has been projected by the IEA to be a reality after the year 2020 (16).    

  16

Integrated Approaches  Ultimately  ethanol  production  can  be  combined with  a  range  of  other  productions  and might  include process integration of the production of chemicals, power, heat, food, animal food and fuel (17). It could also include usage of various resources such as household waste and agricultural waste, and include gasification and then use gas‐to‐liquid fuel process in production of ethanol and other fuels  (18). Another option would be to integrate the production of biodiesel and ethanol to minimize the transportation of biomass. As will be discussed  later, biodiesel has shown promising blending properties for blends of ethanol and diesel.  If the  biodiesel  is  made  from  for  example  palm  oil  only  the  palm  fruit  is  used.  The  integrated  biofuel production could include cellulosic ethanol production from the left over biomass from the palm tree thus utilizing more of  the palm, or  it might be  co‐producing  electric power using mostly waste heat  for  fuel production.   Seen on a global basis, electricity production from thermal power plants generally loses 55‐65% of the fuel energy as relatively low temperature waste heat, though there are cases where the heat is recovered and used  for district heating or other purposes. Thus a huge potential exists and  incentives exist  for process integration of ethanol and power production,  in order  to  reduce CO2 emissions  simply because  the  low temperature ‘waste’ heat principally does not cause much extra CO2 emissions.   The  few second generation ethanol pilot plants worldwide provide examples of  interesting concepts that might also  inspire other  industries. Among these are two Danish concepts; Maxifuel and  IBUS (Integrated Biomass  Utilization  System,  the  Venzin  vision). Maxifuel  integrates  the  production  of  ethanol,  biogas, hydrogen and  solid  fuel pellets. The  concept has  the aim of  reusing or  re‐circulating process  streams  in order to reduce the environmental impact. The biogas production is added as a way of cleaning and reusing the  process  water,  but  is  furthermore  beneficial  to  the  overall  energy  balance  and  economy  (19).  The ’philosophy’ behind is that the ‘waste’ or co‐product of one process must be used as input for the next so that the waste streams are minimized.  The  IBUS  concept  integrates  a  biomass/  coal  fired  power  plant  (CHP) with  first  and  second  generation ethanol production. The products are ethanol, solid biofuel, animal feed (DDGS) and fertilizer. The ethanol process  receives  low‐cost  steam and efficiently produced power  from  the power plant while  the power plant receives high quality solid biomass fuel, a left‐over from the ethanol process. By integrating these two processes,  there  is  furthermore a reduction  in  investments, because no power/ steam unit  is needed  for the ethanol plant  (20). Both the IBUS and Maxifuel concepts claim to have solved all major bottlenecks and barriers for cellulosic ethanol production, the only challenge remaining being the upscaling of the process into a cost effective industrial production.  One could even imagine a future scenario where a Carbon Capture and Storage (CCS) system was removing CO2 emissions completely  from  the  integrated processes,  i.e. power plant and ethanol plant, making  the GHG emissions so low that CO2 is in fact removed from the atmosphere, seen over the life cycle of ethanol.  

  17

Life Cycle Assessment  To ensure the long term benefits of ethanol, one of the tools for evaluating environmental effects is the life cycle assessment (LCA). The general idea is to divide the life cycle of the fuel into all the phases of its ‘life’; e.g.  production,  usage  and  disposal.  As will  later  be  shown,  the main  benefit  of  ethanol  is  due  to  the production.  

Net Energy Value and Greenhouse Gasses  One of the main reasons for using biofuels, including ethanol, is to reduce emissions of green house gasses (GHG).  As mentioned  earlier,  greenhouse  gasses  are  gasses which  impair  the  earth’s  ability  to  radiate thermal energy  to  space. The amount of GHGs  in  the atmosphere  is naturally mainly depending on  the circulation of carbon, i.e. a balance where the amount of carbon is relatively constant.  Important GHGs are CO2, methane  (CH4), nitrous oxide  (N2O) and water vapor.  In order to assess GHG potentials, the term or measure CO2 equivalent  (CO2eq)  is used  to express  the amount of global warming potential as an equal amount  of  CO2 

(21).  The  CO2eq  for methane  and  nitrous  oxide  are  23  and  296  respectively, meaning methane has a 23  times stronger greenhouse potential  than CO2 

(3). The  term   CO2 neutral  is sometimes used to describe ethanol, but the term is misleading, as will be discussed in the following, since production of  ethanol  at  the moment  cannot be  done without  introducing  fossil based CO2 or other GHG  into  the atmosphere.  At this point in time there is a lot of debate on whether usage of ethanol in the transportation sector really causes  reduced  outlet  of  GHG.  In  order  to  asses  this,  the  predominant  tool  used  is  the  Life  Cycle Assessment, or  in  fuel  terms called a Well‐to‐Wheels assessment  (WTW).  In  this case WTW assessments most often aim at estimating  the net outlet of GHG and  fossil  fuel usage  for  the complete  life cycle of a given fuel, by accounting various inputs and outputs associated with the entire life cycle of the fuel. There are international standards (ISO 14000 series) dictating how to make this kind of assessments, but there are also  critics  (22)  that  claim  that using  the  standards  can  lead  to using  too narrow perspectives   as will be discussed later in this section.  One often used, but also criticized term to evaluate ethanol, is the Net Energy Value (NEV). NEV is defined as the difference  in energy content  in the fuel product (output) and the energy used to produce  it (input) (23). A more relevant way of evaluating ethanol  is  to compare only  the non‐renewable or  fossil  fuel  input used, with output energy. (The energy input from the sun should in any case not be included.)  

  18

LCA Reviews  In  the  following  some LCA  studies and  reviews of LCA  studies on ethanol, are discussed. Figure 3  shows results from a number of major LCA studies.   

  

Figure 2: Summary of major LCA studies, source: (3).  

 There seems to be an ongoing debate, whether production of ethanol has a positive NEV, i.e. less energy is used  to produce  the ethanol  than  the actual energy content  in  the ethanol, but  the  figure clearly shows that most of  the major studies  find a positive NEV. Work by Dr. Wang and Eric Larsson have  reviewed a range of LCA studies and established that with current production and vehicle technologies, ethanol offers at least minor CO2 (or CO2eq) emission reduction potential and has potential to reduce fossil energy usage compared  to using gasoline. These  investigations  should be  seen as  ‘worst  case’  scenario analyses  since they  consider  first  generation  technologies  using  traditional  crop  growing  and  as  such  are  not representative of cutting edge/ future scenarios. Studies on second generation production shows (as earlier mentioned) very significant improvements of both GHG emissions and fossil fuel usage.   Examples  of  things  that  would  potentially  improve  the  life  cycle  GHG  and  fossil  energy  economy  of  ethanol:   

• Turning to second generation technologies. • Process integration of power and ethanol production. • Process heat used in ethanol production coming from biomass power co‐production.  • General production efficiency improvements. 

  LCA studies (9) show, that GHG emission reduction for different gasoline/ ethanol blends made by corn, on first generation  technologies are: 18  to 26%, and 21  to 29%  for E10 and E85 respectively  i. For cellulosic based ethanol  it  is estimated  that GHG emissions  reduction will  reach about 85%  for E10 and E85. The 

                                                            i E10 is the common designation for gasoline containing 10% ethanol by volume. E85 is gasoline containing 70 to 85% ethanol. 

  19

numbers  are  based  on  displacement  of  gasoline,  on  energy  equivalent  basis  using  the  iiGREET model. Similar results have been found by Ref. (22), who has reviewed LCA studies and has come to the conclusion, that  ethanol made  from  corn  reduces  GHG  emissions  by  10‐50%  while  ethanol  from  grass  (cellulose) reduces GHG emissions by 40‐100%.   There  are  significant  differences  in GHG  reduction with  different  feedstocks;  corn,  sugar  cane  or  sugar beets. An OECD study  (24), based on  figures  from  IEA and EMPA  (Swiss Federal Laboratories  for Materials Testing and Research), has  found  that CO2‐equivalent Well‐To‐Wheel GHG emission  reduction per driven kilometer, varies from about 30% for grain ethanol in the EU and USA, to 40% and 93% for sugar beet in EU and  sugar  cane  in Brazil  respectively.  See  figure  4.  The  IEA Biofuels  report  (2004)  provides  figures  that would rank the GHG emission reductions potential similarly.   

  

Figure 4: GHG WTW CO2 equivalent reductions, source: (24). 

  Wang et al. at the Argonne National Laboratory (US) have demonstrated, that looking at the energy balance of a fuel (or energy product) isolated is not entirely meaningful. The second law of thermodynamics states that  energy  conversion  always  causes  a  loss, which  in  practice  is  seen  in  for  example  coal  fired  power plants. Coal  is converted  into electricity and roughly half of the energy  in the coals,  is  lost as heat  (if not used  as district heating). Wang  et  al.  instead  focuses on  the  fossil  energy  input.  Figure  5  shows  the  so  called Fossil Energy Ratio, which is the ratio between energy in an energy end product and the fossil energy input. It can be seen that first generation ethanol is doing quite well compared to existing energy products and second generation ethanol has a very great potential also in this regard.  

                                                            ii The Greenhouse gases, Regulated Emissions and Energy use in Transportation model (GREET) ‐ The model is an industry standard model used to evaluate various fuel and vehicle combinations methodically. The model was developed by Dr. Michael Wang, Argonne National Laboratory’s Center for Transportation Research, with support from the U.S. Department of Energy’s (DOE’s) Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE).

  20

  

Figure 5: Energy output compared to fossil input, source: (25).   

Discussion on LCA Studies and Results  It is important to consider that LCA and WTW studies are results from modeling tools, based on a number of assumptions and methods which can vary and  influence the results. Among the most  important WTW variables in relation to ethanol are:   1) Feedstock, e.g. corn, wheat, sugar canes, switch grass and more, 2) Allocation of co‐products,  i.e. how they are accounted for. Ethanol production leads to by‐products which can be accounted for differently, as for example no  allocation,  allocation by energy  content  in  certain  co‐products or  allocation by  share of process energy consumed to make co‐product. The most  important co‐product  in US corn based ethanol production,  is  called distillers dry  grain  and  solubles  (DDGS), which  is  a protein  rich  substance used  for animal feed. About one third of the corn kernel ends up as DDGS, so this is a significant post in the LCA (24). 3) Accountancy of nitrous oxides which will be discussed in a later paragraph. 4) Accountancy of soil carbon sequestration which concerns the long term storage of carbon in soils. If for example previously unfarmed land  is brought  into feedstock production, the end result could easily be decreased carbon storage  in the soil.  The  net  life  cycle  result might  thus  be  increased  carbon  (CO2)  emissions  to  the  atmosphere,  even though  the biofuel  is produced efficiently. Not all LCA  studies  include  this  issue  (22,  26). Considering  these variables, it is not surprising that WTW assessments made around the globe have come to different results.  Related to crop production, is the emission of N2O which is a powerful GHG, about 300 times stronger than CO2. N2O emission from farming depends on a range of conditions such as soil condition, climate and crop and farming practice. Uncertainties in relation to predicting N2O emission are relatively large at this point in time, maybe so large that they can affect the outcome of a LCA decisively, if included in the LCA inventory (27). Ref.  (28) states that N2O originating from nitrogen fertilizer can account for up to 25% of the total GHG emissions from US corn ethanol.  A recent study (29) led by the Nobel prize‐winning chemist Paul Crutzen, claims that commonly used biofuel crops may in fact lead to increased GHG emission due to N2O. Corn based ethanol was found to cause 0.9‐1.5 times GHG emissions, as compared to what is saved in CO2 emissions. Sugar cane ethanol was found to be a  viable option with a  factor of 0.5‐0.9. The  study has been  received with  criticism  concerning basic 

  21

assumptions and numbers for crop‐to‐ethanol conversion, but a report  (24) from OECD supports Crutzen’s skepticism.   Many  researchers  have  pointed  out  that  there  exists  a  need  for  more  comprehensive  and  holistic approaches,  compared  to  the  standard  LCA methods. Replacing  fossil  fuel with biofuel has, as has been discussed here, many consequences on different levels on local and global scale.   Accordingly  it can be concluded that ethanol has great potential as being part of the near future plans to mitigate greenhouse gasses but pitfalls do exist. It seems that recommending ethanol on a larger scale can only be done with good conscience,  if exact knowledge of the effects are well documented and effective reductions of GHGs outputs and fossil fuel inputs are ensured in the production.    

Hydrous Ethanol  As will be presented in more detail later in this report, ethanol can be used as a fuel while containing water. The motivation for doing this is mainly to minimize costs of the fuel. The application of hydrous ethanol is not without challenges, but applications have been shown to overcome all obstacles, and been proven by operation on a daily basis  in Brazil and Sweden. Looking from an environmental perspective, maintaining water  in  ethanol minimizes  the  energy  consumption  in  the  production  phase.  Figure  6  shows  the  net energy balance of ethanol from US corn.    

  

Figure 6: Net energy balance of US ethanol produced from corn. Source: (30).   

The circle  in  figure 6  represents all  the energy of ethanol and  co‐products.  It can be  seen  that  (US  corn based) anhydrous ethanol has a net energy gain of  just 21%  including the co‐products of the production, while hydrous ethanol, with about 5% water content, would gain another 14%.   An effective way of using wet ethanol in internal combustion engines, is in the so called HCCI (homogenous charge  compression  ignition)  engines  and  a  few  studies  show  that  it might  be  possible  to  use  ethanol containing  up  to  70% water  in  ethanol  (31,  32).  According  to  Ref.  (32)  this would  require  a  rather  special application  including  a heat  exchanger  to  vaporize  the  very wet  ethanol.  This  concept  still needs  to  be 

  22

proven  but  could well  be  realized  in  transportation  applications,  in  for  example  a  hybrid  vehicle with batteries,  electric motor  and  a  combustion  engine.  Ref.  (32)  states  that  distillation  energy, when  using ethanol with 65% water, would be reduced from 23% to only 3%,  i.e. providing a net energy gain of 55% instead of 21% with anhydrous ethanol. Other investigations of ethanol production may find other numbers than these, but energy savings will in any case be significant using wet ethanol.   Combustion engines  in general,  suffer  from a  relatively  low efficiency,  i.e. utilization of  the  fuel energy. Even though the combustion engine has undergone many years of optimization and development, the CI engine  (Compression  Ignition,  i.e. diesel engine),  representing  the most efficient application,  still utilizes only  roughly  25‐35%  of  the  fuel  energy.  The  rest  of  the  fuel  energy  is wasted,  a  large  part  being  heat emitted  in  the exhaust gas and cooling water. The  important point of  the before mentioned example,  is that waste heat from the engine  is used to compensate for the high water contents of the fuel  instead of being wasted.  In  that way, waste  energy  from  the  vehicle  replaces  energy  of  relatively  high  quality  or usefulness, that be coal, natural gas or biomass. See figure 7.   

  

Figure 7: Schematic overview of energy flow using the ‘wet ethanol engine’ concept   While it does require relatively radical new‐thinking to implement this kind of solution on a large scale, the potential  for  energy  savings  (and CO2 mitigation)  seen on  a  global,  regional or national perspective will most probably make worth  the effort. Less  radical solutions are also possible and perhaps more  realistic and would still provide significant benefits. An example is Brazil  where hydrous ethanol (E93 –ethanol with a water  content  of  7%)  is  used  on  a  large  scale with  huge  energy  savings  (not  to mention  economical savings). In the later sections in this report, the technical aspects of using wet ethanol will be discussed, but the utilization of wet ethanol generally requires dedicated technical solutions,  i.e. solutions alternative to the current vehicle market.   

Sustainability  Since  one of the main purposes of bioethanol is to mitigate environmental impacts, especially greenhouse gasses, it is important to ensure certainty about the actual effects of the ethanol production. Furthermore, as ethanol usage  increases on a global  level,  there will be an  increasing pressure on  the ecosystems and thus a need for principles of sustainable agricultural production, as there will be great dependency on large amounts of biomass feedstock crops for many years to come. Thus it is essential to ensure safe long term oriented social, environmental and economical impacts of a relatively sudden and very significantly growing industrial/ agricultural sector. Citing one report: ‘…there is no point in replacing one unsustainable system with another’ (33).  

  23

It  is  logical  to  expect  a  higher  degree  of  environmental  impacts  on  ecosystems,  soil  and water  due  to biofuels, compared to fossil fuels since the latter do not need large cultivated land areas. It is therefore not possible to directly compare the two fuels in this regard and any comparison will have to be a (subjective) weighing  of  different  environmental  effects.  The  Swiss  Institute,  EMPA  (24)  has  compiled  an  index accounting  environmental  impacts  as  damages  to  human  health,  ecosystems  and  depletion  of  natural resources, the so called UBP indicator. See figure 8.  

  

Figure 8: Environmental impact for ethanol and other fuel options, Source: (24).  Note: CH = China, RER = European Union, MY = Malaysia, US = the United States, BR = Brazil, FR = France and CN = Canada. 

  24

  Figure 8 shows that the impact from cultivation activities are very significant in the life cycle of ethanol (and biodiesel) made from different crops. The figure also shows that it would be a mistake only to consider the vehicle operation emissions.  The  Roundtable  on  Sustainable  Biofuels,  consisting  of  non‐governmental  organizations,  companies, governments, inter‐governmental organizations, experts and others, are developing four criteria to form a tool to ensure a degree of sustainability in the production and use of biofuels. The criteria are concerning life  cycle  greenhouse  gas  efficiency,  environmental  impacts  namely  biodiversity,  soil  issues  and  water resources,  social  impacts  (mainly  food  supply  security)  and  implementation.  There  are  currently many activities in the area of finding ways to ensure sustainability on the highest levels of influence, e.g. national governments,  the European Commission, and  the  IEA. One example  is work commissioned by  the Dutch government, which suggests that criteria of sustainability should be satisfied in order to justify subsidies (24). Another suggested approach is to learn from experiences gained with certification of forest products.   The European Biomass Association (AEBIOM)  (34)  is supporting the  idea of sustainability, but expresses the importance of making all agricultural production sustainable, not only biofuels. As there already are policies to  ensure  some  degree  of  sustainability  in  Europe,  including  biofuel  crop  growing,  AEBIOM  state  that certification should target imported biofuels.   Reviewing a part of the  literature on sustainability of ethanol production,  the  following general concerns have been summarized (not in prioritized order):  

• Greenhouse gas emissions, seen over the entire fuel life cycle, must be significantly lower than for fossil fuels. 

• It is considered of major importance that nutrients from the biomass are returned to the soil. • There should be no harm to valuable ecosystems and biodiversity must (at least) be maintained.  • Carbon  stored  in  the  soil  and  above  ground  should  be  strongly  considered when  starting  new 

biomass production.  • Soil erosion and degradation, as well as water resources and quality, are major concerns. • The food security and prices locally and globally must be considered. • As biofuels are an  international  commodity,  international  sustainability  certification and  labeling 

standards should be developed to ensure a minimum level sustainability.    

Land Use Issues  An  important  concern  related  to  ethanol  production,  is  that  we  on  planet  earth  only  have  a  limited potential  for  producing  biomass.  The main  interests  for  arable  land  are  food,  animal  feed, materials, energy, nature conservation and biodiversity. That being  said, production  in one  sector does not always conflict with  another.  For ethanol examples have  already been outlined;  as  animal  feed usually  is  a  co‐product of the ethanol production,  it can  in fact produce opportunities for at  least the  live stock  industry (33). Other examples are co‐production of food and  fuel with use of second generation technologies,   and improvement of biodiversity with inter‐cropping.      

  25

Global Biofuel Potential  It  is a very difficult task to assess the global energy potential for fuel biomass production accurately. One thing is what is technically possible, another thing the reality and boundary conditions for fuel production. There are many factors to consider, perhaps most  importantly; biomass need for food and other sectors, trade  barriers,  agricultural  policies,  economy,  agricultural  and  ethanol  production  efficiency,  new technology advances and new crop types.   Currently,  the  annual  energy  use  for  transportation  is  roughly  100  EJ  (Exa  Joule),  a  number which will increase by over 50% by 2030,  if the current annual growth rate remains unchanged  (35). With the recent increases  in  the  crude  oil  price  and  the  very  likely  decrease  in  oil  production  (36),  the  growth might  be slowed down though. Rapid growth in world consumption of transport fuels, will require the production of biofuels  to  grow much more  rapidly,  in  order  for  the  net  CO2  emissions  from  the  transport  sector  to decrease  or  just  stabilize.  In  recent  years,  this  has  indeed  been  the  case,  biofuel  production  doubling between 2000  and 2007, while  crude oil production  increased by 7.7%  (16). A quadrupling of worldwide biofuel production by 2020 (a plausible scenario), would correspond to the displacement of roughly 7% of fossil  fuels  for  road  transportation worldwide. Beyond 2020,  the potential of  second generation ethanol opens  up  for  a  greater  usage  of  the  land  available,  because  of  the  use  of  ‘waste’  products  such  as agricultural and  forest  residues and animal and other organic waste.  Several  studies have attempted  to establish plausible values for the fossil transport fuel displacement in the more distant future (2050).   Doornbosch  2007  (24),  using  conservative  figures,  estimates  the  potential  for  displacement  of  fossil transport fuels to roughly 23% in 2050. Hoogwijk 2003  (37) has charted four different future scenarios with different estimates of the energy production potential from biomass compared to from fossil fuels. In terms of  fossil  transportation  fuel displacement,  the scenarios  range  from values of 20%  to approximately 50% displacement. Also,  the  IEA has made a  forecast  (16)  for 2050 which  indicates,  that a  fossil  transportation fuel displacement of 100%  is  feasible,  if  the entire global  ‘energy biomass’ production  is  converted  into liquid  fuel, with none  reserved  for electricity generation or heating.  Such an exclusive use  for  transport fuels might be an unrealistic assumption, however.  As  opposed  to  the  projection  for  2020,  these  estimates  assume  improvements  in  the  technology  for producing and  converting biofuels,  such as  those heralded by  the advent of  second generation biofuels. Also,  they present potentials, understood as goals which can be  reached only by actively pursuing  them. Unless governments, organizations and research institutions actively strive to support and develop biofuels, the future displacement of fossil transportation fuels will certainly be much lower.   It should be noted that the above scenarios only consider land‐based biomass. Considering that 70% of the Earth’s  surface  is ocean,  the potential  for  sea‐based biomass  is clearly enormous. Some  researchers and companies  are  at  present working  in  this  field,  but  the  technologies  and  infrastructure  needed  for  any large‐scale marine biomass production are still in the development stage.    Though fraught with uncertainties and contingencies, the described future scenarios all show that ethanol and other biofuels have a large potential, but also that they are by no means an easy and effective solution for a sustainable transportation sector. It is incontrovertible that fossil fuels will provide a major part of the global transportation energy for some years to come, indicating a period in which different fuels and engine technologies, fossil‐based and renewable, will exist side by side.    

  26

Biomass for Transport or Power  The following is used as an example of important aspects in the ethanol discussion. A recent study (4) made at The Technical University of Denmark  assessed  a number of  environmental  impact  categories  such  as GHG emissions, waste generation, ozone  formation and acidification,  related  to ethanol production. The production  technology  of  ethanol  (called  IBUS)  is  supposedly  state‐of‐the‐art  second  generation technology,  integrated with a  coal  fired  combined heat and power plant  (CHP)  in Denmark. The  central question posed in the study is whether land as a limited resource should be used for transportation energy purposes in order to reduce GHG emissions and replace fossil fuel usage. The general conclusion was that even using the currently best available ethanol production technology, there  is (in Denmark) a better use for the  limited biomass than ethanol,  i.e. using  it  in CHP production. Based on a  life cycle analysis of the scenario,  it  is  concluded  that  nutrients  with  production  of  ethanol  are  to  some  degree  kept  in  the agricultural system due to the main co‐product animal feed. Reversely burning biomass in the power plant makes it harder to recycle nutrients to keep the soil sustainable for future crop growing and minimization of fertilizer usage.   The report compares CHP with ethanol production and this is substance for a relevant debate. As for land use,  it  is surely highly relevant that the global usage of  limited biomass  is optimal and  it  is  irrelevant how GHG reductions are obtained. Regarding fossil fuel scarcity the report concludes, that higher displacement is  achieved  with  CHP.  It  is  questionable  though  to  compare  fossil  fuel  displacement  of  coal  in  CHP production with fossil oil displacement in transportation, since coal reserves are not running scarce at this point in time, compared to oil which seems much closer to scarcity. It could also be argued that there are not that many viable and GHG mitigating alternatives for transportation fuels, while there are a number of viable options  for GHG mitigating electricity production, such as wind‐, hydro‐, solar‐ and nuclear power, not  to mention CO2  storage at coal  fired power plants. The  report  suggests electric cars as a  solution  in combination with CHP as the optimal utilization of biomass.   CHP  is not an option  in many  countries  since  there  is  simply no need or economical viability  for district heating, as for example in tropical countries. Thus CHP is surely by far the most ideal usage of biomass and it  should  be  pursued  where  possible,  but  in  other  cases  it  remains  an  unrealistic  application.  It  is furthermore not entirely ‘fair’ to compare energy efficiencies (and thus GHG emissions) in stationary units as oppose  to moving  applications. Even with highly efficient electric motors  the moving  application will always  ‘lose’  in  comparison  to  the power plant  (wind  turbine or other electricity producing unit)  simply because  the electric motor  represents  an extra  link  in a  chain of processes with  less  than 100% energy conversion efficiency.   Considering the quality (or usefulness) of the energy, low temperature heat energy is categorized as lower quality  than  liquid  fuels,  thus  the  comparison  is  again  not  ‘fair’.  As  has  been  discussed  previously, integration  of  productions,  technologies  and  processes  seem  a  better  overall  solution.  This  LCA  is  an example among many  that does not consider all aspects of  the energy situation, as  the report  itself also recognizes. This  is of  course  very understandable, but not entirely  satisfactory and as  suggested by Eric Larson  and  others,  studies  including  all  aspects  of  the  biofuel  and  energy  situation  seem  relevant  and needed at this point.   

  27

Biomass for Food or Biofuels  As  this  topic  is  very  fundamental,  complex  and  controversial,  the  following  will  only  provide  selected perspectives and arguments but not any conclusions. There are many stakeholders and competing interests and argumentation seems naturally to depend on these interests.    The UN Foundation report, Biofuels FAQ (2007) (38), states that according to the United Nations’ Food and Agriculture  Organization  (UN  FAO),  increased  food  production will  be  able  to  keep  up with  a  growing population.  Furthermore  it  is  stated  that  the malnutrition on global  scale  is not  caused by  lack of  food. Instead it seems the world could easily produce more food, if there was a demand, i.e. if the poor could pay for the food and create the demand. As most of the poorest people live of the land in rural areas they could in fact be benefiting from biofuel crop production and many poor countries (mainly in Africa) are fairly well suited  (climatically)  for biofuel  crop production. Biofuels  seem  (according  to  the Biofuels FAQ  report)  to potentially be a lifting pole if poor countries could produce and export biofuels. Thus it might be political, infrastructural  and  perhaps  international  restrictions  and  trade  relations  that  would  keep  the  poorest people starving and not biofuels. That being said, rising food crop prices will unavoidably have a negative impact on some of the world’s poorer people’s ability to afford food.    A  report  from  the European Biomass Association  (34) acknowledges  that  there  is a  linkage between  food prices  and  biofuel  production,  but  also  states  that  the  food  versus  fuel  dilemma  has  often  been overestimated. Firstly, the organization claim that there  is  land enough to grow both food and fuel crops and  secondly,  that  there  is  an  overproduction  of  food  in  the  EU. AEBIOM  furthermore  points  out  that surplus food production is ‘dumped’ in developing countries, which results in local markets not being able to  compete.  Furthermore AEBIOM  finds  that  crop prices have  little  influence on  the  final product prize. Wheat, for example, represents less than 10% of the bread price. AEBIOM therefore recommends that EU should not  limit biofuels due  to  land use concerns or  food prices, while  recognizing  that  there might be local  impacts on  s